三维一体，“淌”出新视界 ——Waters最新高分辨淌度 …©2016 Waters Corporation 2 Agenda 1.离子淌度（Ion Mobility)质谱的原理介绍 - 什是离子淌度和碰撞截面积（

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三维一体，“淌”出新视界 ——Waters最新高分辨淌度质谱平台

高级应用工程师：郏征伟

沃特世科技（上海）有限公司


Agenda

1.离子淌度（Ion Mobility)质谱的原理介绍

- 什么是离子淌度和碰撞截面积（CCS值）

- 离子淌度质谱的独特优势

2.Waters淌度质谱的新成员-

- 新型的硬件构造

- UNIFI 1.8.1

3.Vion淌度质谱在筛查领域的应用

- 如何建立CCS数据库

- 将CCS值作为定性指标之一应用于筛查分析


什么是离子淌度

Electric Field

Gas

+

Ion Velocity (v) is proportional to Electric Field (E) strength

v = K x E

K is the ion’s mobility

Velocity


什么是离子淌度

Ω

1

μT

1

N

qCK

0.5

Mason-Schamp Equation

v = K x E K is the ion’s mobility

q = Ion charge N = Gas number density µ = Reduced mass T = Temperature

= 碰撞截面积 (CCS) 与离子的大小，电荷数和形状有关

(M+Na)+

m/z 527.2 Ω=202.1 Å²

(M+Na)+

m/z 527.2 Ω=209.8 Å²


经典的离子淌度质谱

Drift Time GATE

Length L

t1 t2

Volts V

Electric Field E

Inte

nsity

t1 t2

K = L2/(V.t) v = K x E D

ete

cto

r

Ω

1

μT

1

N

qCK

0.5

Mason-Schamp Equation


离子淌度质谱的独特优势


离子淌度质谱的独特优势

IMS

-9 -8 -7 -6

TOF MS LC

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 n 10n seconds

提供正交多一维的分离，增加峰容量

离子淌度功能可对谱图进行精简；尤其对于复杂基质，可改善选择性/提高灵敏度，使数据解析更加轻松

提供多种基于淌度的采集模式

优化飞行时间质谱的性能，降低噪音，提高灵敏度

分离同分异构体，提供基于结构（）的确证信息


2015 Vion IMS Q-Tof Accessible Ion Mobility

2001 Linear Field IMS Q-ToF

2003 First T-Wave IMS Q-IMS-Q

2006 Synapt HDMS TriWave, DriftScope

2007 MALDI Synapt

2009 Synapt G2 HDMS 2nd Gen TriWave & QuanTOF

2011 Synapt G2-S HDMS StepWave

2010 MALDI Synapt G2 HDMS HDI Software, ETD

2004 Prototype SYNAPT Q-IMS-Tof

2013 Synapt G2-Si HDMS Enhancing Workflows (using CCS) Dedicated IM Apps Software (UNIFI), MS Compare, Intellistart

Waters淌度质谱的发展


Taken from: May and McLean Analytical Chemistry 87 (2015) 1422

离子淌度质谱发展历史


Synapt G2-Si (2013)

Vion IMS Q-Tof (2015)

Latest Instrumentation

Travelling Wave IM

Separation

0

20

40

60

80

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Rela

tive I

nte

nsit

y (

%)

Arrival Time (ms)

(GRGDS)2+

Ω=211.7 Å²

(SDGRG)2+

Ω=222.7 Å²

ΔΩ

Res ~ 40 ~30cm cell

Routine use of ion mobility CCS for added specificity



新型的硬件构造


Ionisation sources

Conjoined ion guide (StepWave)

Trap

T-Wave IMS (Res~40)

Ion guide

Quadrupole

T-Wave CID cell

Oa-ToF (Res>50,000)

+ High dynamic range dual gain ADC

Vion IMS QTof 的硬件构造



蓝色为中性物质，黄色为带电离子

StepWave技术使带电离子在电压的作用下，更好的聚焦（离子束变细）；将中性物质用机械泵抽走，降低噪音；信号提高，噪音降低，从而提高灵敏度


淌度池内有压力调控器可以监测CCS校准时的IMS压力；样品分析过程中，通过反馈调控，维持IMS压力恒定；

保证淌度分离的稳定性和（CCS值）重现性


Trap的功能：储存并聚焦离子，在IMS循环前释放离子进入IMS进行分离并确定淌度漂移的起始时间；

Trap IMS


Reserpine - 609.28 m/z : 252 Å2 - 0.10 % RSD

LueEnk – 556.27 m/z : 230 Å2 - 0.15 % RSD

Terfenadine – 472.32 m/z : 230 Å2 - 0.12 % RSD

Verapamil – 455.29 m/z : 211 Å2 - 0.17 % RSD

Sulphadimethoxine – 311.08 m/z : 168 Å2 - 0.15 % RSD

Caffine – 195.08 m/z : 136 Å2 - 0.22 % RSD

Data from 400 injections over 33 hours

Vion测得的CCS值稳定性


Experiment Observed m/z Mass error (mDa) Mass error (ppm) Observed RT (min) Observed CCS (Ǻ²)

30min urine 609.2803 -0.3 -0.56 7.64 247.69

10min Plasma 609.2807 0.1 0.15 3.18 248.15

3min solvent 609.2808 0.2 0.32 1.17 248.38

RMS ppm error = 0.38 %RSD = 0.14

<2%

Vion测得的CCS值稳定性-不同色谱方法


XS技术使离子更好聚焦，最大化地传输进入Tof 增加分辨率

提高灵敏度增加抗污染能力



QuanTof2提供的灵敏度和动态范围可使离子淌度定量功能用于日常分析

双级反射器更好的离子聚焦——提高分辨率

高场推进器增加了有效周期——提高灵敏度

新型双通道的ADC检测器提供更宽的动态线性范围



Dual Channel 3.6GHz 10-bit ADC (7.2GHz up-sampled)

– ADC on Synapt and Xevo single channel 3.0GHz 8-bit ADC

x 1

x1/30

ADC High Gain Channel

ADC Low Gain Channel

Peak Processing

Peak processing

ADC Test signal

Apply calibration

Combine From MS

ADC Amplifier

新型双通道的ADC 2检测器


x1 ADC#1

Time Bins

Detector

10 bits = 1-1023 LSB

x1/30 ADC#2 10 bits = 1-1023 LSB

+

ADC#1

ADC#2

ADC#1

1023 bits

QuanTof2，提高淌度质谱的线性动态范围


x1 ADC#1

Time Bins

Detector

10 bits = 1-1023 LSB

x1/30 ADC#2 10 bits = 1-1023 LSB

+

ADC#1

ADC#2

ADC#2 x 30

1023 bits

+ + + + +

+ +



>5个数量级的线性范围




UNIFI 1.8.1


自动化的仪器参数优化和校准

一键执行仪器参数优化和校准

– ADC setup

– Detector setup

– Resolution optimisation

– Mass scale calibration

– CCS calibration

只需要2组标准品溶液

– Leu Enk in reference fluidics

– QC Std/Major Mix in sample fluidics

可选的更高质量范围 (8000 Da coming soon)

– Calibrates mass scale up to 4 kDa

– Glu-fibrinopeptide in reference fluidics

– NaI in sample fluidics







Task pos neg

Detector Setup

Mode MassRange m/z calibration CCS calibration Notes

1000

2000 used for TargetEnhancement

1000

2000

1000

2000 used for TargetEnhancement

1000

2000

Enhanced Res -

Routine +

Enhanced Res +

Routine -


自动化的仪器参数优化和校准_Health Check


选择灵敏度或分辨率模式

选择ESI或APCI

UNIFI方法编辑__离子源的参数


采集实验类型

UNIFI方法编辑__采集类型


UNIFI方法编辑__Lock Spray

自动化的Lock Spray设置


方法事情：定义阀的切换

液相色谱触发选项

UNIFI方法编辑__Method Events


UNIFI数据处理—离子淌度数据查看器





可切换成3D的视角或不同坐标轴之间的相互切换



可切换进入比较模式



按组分进行放大显示


UNIFI数据处理—查看筛查结果

数据库中的化合物增加了CCS值的信息



增加了查找4D峰，按碰撞截面积确定目标的功能



结果查看界面增加了CCS值作为定性指标之一


首先测得前体离子的漂移时间

经离子淌度分离后前体离子碎裂成子离子

子离子和前体离子应具有相同的漂移时间

软件可以突出显示与母离子具有相同漂移时间的子离子

漂移时间对齐功能精简了质谱图，改善专属性

m/z

Drift

tim

e

m/z

Inte

nsity


漂移时间对齐功能


低能量图谱

高能量图谱

APGC+Vion Will be available till June 2016

UNIFI数据处理—支持APGC的数据


Isoorientin

197.68Ǻ2

Orientin

187.65Ǻ2

生物制药

制药

蛋白组学脂质组学

代谢组学

天然产物

筛查

VION淌度质谱的主要应用


WeChat调研

QuEChERS或Dilution and Shoot

质量精度和灵敏度

数据采集和处理模式，灵敏度

前处理，定性指标的可靠性，参数的阈值，数据库大小

直观的界面，易于操作的流程

Eu and US


Directive 96/23/EC concerning the performance of analytical methods and interpretation of results

官方推荐的定性筛查标准


SANCO/12571/2013 Guidance document on analytical quality control and validation procedures for pesticides residues analysis in food and feed



USFDA Sep. 2015 Acceptance Criteria for Confirmation of Identity of Chemical Residues using Exact Mass Data within the Office of Foods and Veterinary Medicine Program



淌度CCS值在筛查领域的应用

常规的筛查主要使用准分子离子和至少一个碎片离子的精确质量和保留时间来进行化合物的确证；

连接淌度质谱后，从淌度分离可以得到离子的另外信息：漂移时间(Drift Time) 和碰撞截面积 (CCS)。

实际筛查分析中，基质是非常复杂和多种多样，往往会干扰结果的判断；将CCS值应用于日常筛查工作中，可以带给我们什么？

- 一个新的定性参数

- 更为干净的二级谱图，有助于复杂基质中结果的判断

- 降低假阳性率和假阴性率

- 一个比保留时间更可靠的参数，减少对于保留时间的依赖


一个新的定性参数

CCS值是一个离子的强大和精确的物理化学性质，主要与离子的化学结构和三维构象相关；

所有组分单次分析即可获得母离子（和同位素），碎片离子信息和CCS值；

CCS值不受基质的影响，即使离子强度很低都可以准确测得；

CCS值可作为定性指标添加进UNIFI筛查数据库，增加了目标物筛查的专属性和灵敏度。

淌度CCS值在筛查领域的应用


如何建立CCS数据库

仪器一键Setup，校准质量轴和CCS值

准备筛查解决方案的LC条件

准备Check System QC以及混合标准品溶液，并将标准品溶液配制成一系列不同的浓度（1ppb～100ppb）

Excel工作表列出标准品的清单，下载或绘制结构式文件（mol文件）



进样序列

- Blank

- Check system 的混标（n=3）

- Pesticides Standard Mix（n=3 ）

- 不同浓度系列的标准品溶液（n=3）

- Check system 的混标（n=3）

Component Expected CCS (Å²)

序列前测得的CCS (Å²) 序列后测得的CCS (Å²) RSD

Duplicate 1 Duplicate 2 Duplicate 3 Duplicate 1 Duplicate 2 Duplicate 3

Acetaminophen 130.4 131.39 131.16 130.92 130.48 131.15 131.49 0.28%

Caffeine 138.2 138.67 138.78 138.62 138.16 138.37 138.61 0.16%

Lecucine-Enkephalin 229.8 229.89 229.86 229.86 228.65 228.13 228.70 0.34%

Reserpine 252.3 252.53 252.75 252.42 252.60 252.04 252.00 0.12%

Sulfadimethoxine 168.4 168.59 168.81 168.60 168.19 168.31 168.29 0.14%

Sulfaguanidine 146.8 147.22 146.90 147.29 145.77 145.66 145.90 0.52%

Terfenadine 228.7 229.43 229.26 228.90 229.78 228.09 229.97 0.30%

Val,-Tyr,-Val 191.7 192.18 192.95 192.89 192.18 192.00 192.54 0.21%

Verapamil 208.8 210.78 209.75 210.17 210.01 210.03 210.12 0.16%



UNIFI科学信息系统处理数据，读取Drift Time和CCS值

汇总每个标准品在不同浓度的CCS值，计算平均值和RSD


Excel工作表中增加一列CCS，然后重新导入UNIFI，生成新的数据库。

~400 Pesticides with CCS value available with in one week!



CCS在不同浓度中的稳定性

400种农药标准品在1ppb～100ppb浓度范围内，CCS值的偏差基本上均小于<1%


Reserpine - 609.28 m/z : 252 Å2 - 0.10 % RSD

LueEnk – 556.27 m/z : 230 Å2 - 0.15 % RSD

Terfenadine – 472.32 m/z : 230 Å2 - 0.12 % RSD

Verapamil – 455.29 m/z : 211 Å2 - 0.17 % RSD

Sulphadimethoxine – 311.08 m/z : 168 Å2 - 0.15 % RSD

Caffine – 195.08 m/z : 136 Å2 - 0.22 % RSD

Data from 400 injections over 33 hours

CCS值的稳定性不受采集时间的影响


CCS值的稳定性不受地域的影响

Day 1 Verapamil

455.29 m/z : 211 Å2

Day 3 Verapamil

455.29 m/z : 211 Å2

Day 498 Verapamil

455.29 m/z : 211 Å2


CCS在不同基质中的稳定性—Waters HQ Lab


IMPACT OF MATRIX ON CCS REPRODUCIBILITY CCS在不同基质中的稳定性—Waters HQ Lab








CCS在不同基质中的稳定性—Shanghai Lab

标准品溶液



菠菜标准品溶液



茶叶菠菜标准品溶液



茶叶猪肉菠菜标准品溶液

http://www.google.co.uk/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj88rK34-DKAhUBnBQKHambDncQjRwIBw&url=http://acookinglife.typepad.com/a_cooking_life/2008/03/pig-fat-follies.html&psig=AFQjCNEuh432ZxeFUzLExCYZXL1QcEpC5Q&ust=1454766964082755


更为干净的二级谱图，有助于复杂基质中结果的判断

UNIFI’s 3D peak detection algorithm

Cyanazine（m/z 241, 6.07min) 淌度打开前，MSe采集图谱

淌度技术应用于筛查分析的数据处理



Cyanazine（m/z 241, 6.07min) 淌度打开后，MSe采集图谱

UNIFI’s 4D peak detection algorithm




Low Collision Energy- parent spectrum

High Collision Energy-fragment spectrum




Shercodine

Lauryl diethanol amine

Low CE

Low CE

High CE

High CE

MW 284.2827

MW 273.2668




109

降低假阳性率和假阴性率

Mass error ≤ 5 ppm

Fragments Found ≥ 1

Retention time error ≤ 0.2min

CCS Delta ≤ 2％



55





CCS Delta ≤ 2％



44





CCS Delta ≤ 2％



16





CCS Delta ≤ 2％



18

降低假阳性率和假阴性率，减少对保留时间的依赖



CCS Delta ≤ 2％




降低假阳性率和假阴性率，减少对保留时间的依赖

Matrix Rt (mins) Dt (Bins)

Pear 7.48 87

Mandarin 7.55 86

Leek 7.68 86

Ginger 7.78 86

CCS值是一个比保留时间更可靠的定性参数


Summary

常规质谱依靠质荷比来分离化合物；离子淌度质谱则根据化合物的大小，电荷数和形状来实现多一维的分离

离子淌度质谱可以生成更干净的质谱图，增添结果解析时的信心离子淌度技术带来的CCS值是一个不受基质和保留时间影响的化合物依赖

的物理参数 CCS值用于筛查分析可以降低假阳性率和假阴性率，是一个比保留时间更

为可靠的定性参数 Vion IMS Qtof实现了淌度质谱的常规化应用，世界范围内的所有淌度质

谱都可以得到统一的CCS值，它为您的筛查分析保驾护航！

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